如何使用單極性電壓驅動(dòng)IGBT？

英飛凌建議利用負柵極電壓來(lái)安全關(guān)斷和阻斷IGBT模塊。在標稱(chēng)電流小于100 A的區域，往往出于成本原因忽略負柵極電壓。本文介紹了IGBT模塊單極驅動(dòng)的特殊注意事項。

最近幾代英飛凌IGBT芯片擁有諸多優(yōu)勢。其中一些亮點(diǎn)包括動(dòng)態(tài)范圍更寬、開(kāi)關(guān)速度更快、開(kāi)關(guān)損耗更小并且導通損耗更低等。

使用0V關(guān)斷時(shí)，可能會(huì )出現下面兩種我們不愿意看到的情況：

• 通過(guò)米勒電容的寄生導通

• 通過(guò)雜散電感的寄生導通

1）通過(guò)米勒電容導通

當開(kāi)通半橋中的下管IGBT時(shí)，上管IGBT /二極管發(fā)生電壓變化dvCE/dt。這會(huì )引起位移電流，位移電流值為：

電流iCG流過(guò)米勒電容、柵極電阻、CGE和直流總線(xiàn)，對上管IGBT的寄生電容CCG充電。電容CCG和CGE構成電容分壓器。圖1描述了流過(guò)上管IGBT的米勒電容的電流路徑。

電流iCG在柵極電阻上產(chǎn)生電壓降。如果柵極電阻上的電壓降超過(guò)IGBT的閾值電壓，則發(fā)生寄生導通。

隨著(zhù)芯片溫度的升高，閾值電壓每攝氏度下降數mV。高溫下更易引發(fā)寄生導通。

當上管IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)，電流流過(guò)下部IGBT的米勒電容，同樣也可能導致下管的寄生導通。

2）通過(guò)雜散電感導通

如果關(guān)斷負載電流，發(fā)射極雜散電感上會(huì )產(chǎn)生感應電壓

開(kāi)關(guān)IGBT T1時(shí)，主電流將從續流二極管D1換向到IGBT。由于二極管電流衰減產(chǎn)生的電流變化率diC2/dt在LσE2上產(chǎn)生感應電壓，并使T2的發(fā)射極電位變?yōu)樨撝?。如果通過(guò)高diC/dt產(chǎn)生的感應電壓高于IGBT的閾值電壓，那么這將導致T2的寄生導通。

3）具有共輔助發(fā)射極的模塊中的寄生導通

在多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)的模塊中，各個(gè)芯片的輔助發(fā)射極都連接到一個(gè)共用發(fā)射極，非?？焖俚拈_(kāi)關(guān)可能導致發(fā)射極的雜散電感上產(chǎn)生感應電壓。

等效電路圖如圖3所示：

模塊中的寄生電感在此編號為L(cháng)σ1至Lσ9。導通IGBT T6時(shí)，Lσ2和Lσ3 上產(chǎn)生的感應電壓會(huì )影響T2。因此，當IGBT T2的發(fā)射極電位變化超過(guò)閾值電壓時(shí)，IGBT T2寄生導通。

為了檢驗寄生導通，需要在模塊的橋臂上引入電流傳感器。兩次測量可得出明確的證據。

• 對下橋臂IGBT加雙脈沖，同時(shí)用負電壓保持上橋臂IGBT在關(guān)斷狀態(tài)。

• 對下橋臂IGBT加雙脈沖，按應用中默認方式使上橋臂IGBT處在關(guān)斷狀態(tài)。

建議使用介于0.1?Icnom到2?Icnom之間的不同電流進(jìn)行測量。

當兩條電流曲線(xiàn)差別很大時(shí)，就證明了寄生導通。這里要特別注意的是更高的電流峰值、更寬的反向電流峰值和額外的電流脈沖。 “解決方案建議”一章中詳細介紹了抑制誤導通的方法。

在支持螺旋端子電源連接的應用中，通?？梢允褂肦ogowski線(xiàn)圈進(jìn)行測量。不過(guò)，在大多數情況下，無(wú)法直接在橋臂上進(jìn)行測量。在較小的模塊中，負載電流通常通過(guò)焊針引入PCB。這里建議在DC總線(xiàn)中測量，如使用Rogowski線(xiàn)圈或電阻分流器。

1）改變柵極電阻

通過(guò)改變柵極電阻RGon可以影響導通期間的電壓變化率-dvCE /dt和電流變化率diC /dt。增大柵極電阻可減小電壓和電流變化，使IGBT開(kāi)關(guān)速度更慢；改變柵極電阻對各參數的影響詳見(jiàn)文后表1。

通過(guò)減小RGoff值可避免電容寄生導通。不過(guò)，通過(guò)增大RGoff值能防止電感寄生導通。

2）分開(kāi)的柵極電阻幫助實(shí)現安全的導通和關(guān)斷特性

在許多應用場(chǎng)合下，使用獨立的導通和關(guān)斷電阻時(shí)可實(shí)現較為安全的開(kāi)關(guān)特性。

選擇RGoff <RGon 防止米勒電容導致的電容寄生導通；原理參見(jiàn)“通過(guò)米勒電容導通”內容。

3）外加柵極發(fā)射極電容用于分流米勒電流

可以通過(guò)柵極和發(fā)射極之間的外加電容CG來(lái)影響開(kāi)關(guān)性能。該電容將吸收來(lái)自米勒電容的額外電荷。由于IGBT的總輸入電容為CG ||CGE，因此達到閾值電壓所需的柵極電荷增加。

對于沒(méi)有內部柵極電阻的IGBT模塊，建議在電容上串聯(lián)一個(gè)外加電阻RS，以防止振蕩。RS的推薦值為

為外加電容器推薦的電容也來(lái)自經(jīng)驗，并通過(guò)計算得出

由于額外增加了電容，所需的驅動(dòng)器功率也會(huì )增加。并且IGBT顯示出更高的開(kāi)關(guān)損耗，這將取決于如何選擇RGon / off。

4）晶體管用于分流米勒電流（有源米勒鉗位）

防止意外導通的另一措施是短接柵極到發(fā)射極。這可以通過(guò)柵極和發(fā)射極之間的外加晶體管來(lái)實(shí)現。

只要驅動(dòng)器在其輸出端輸出0V，晶體管“開(kāi)關(guān)”就會(huì )在一段時(shí)間延遲后開(kāi)啟，從而使柵極-發(fā)射極區短路。米勒電容上的電流iCG從晶體管上以可控方式分流，從而保證IGBT安全開(kāi)關(guān)。

表1概述了上面討論的措施及其利弊。RGon用于導通IGBT；RGoff用于阻斷和關(guān)斷IGBT。RGon/off是用于導通和關(guān)斷IGBT的共用電阻。

++：非常好的結果

+：有所改善

-：有所下降

o：無(wú)變化

↑：增加

↓：降低

（英飛凌igbt廠(chǎng)家）